用雷震，看见地下100米

当闪电发生时，它会将周围的空气瞬间加热到极高温度，并产生冲击波，我们听到的雷声正是由此而来。但雷声并不只是穿过大气、传到我们的耳朵里，而是能够耦合进入地面，并产生被称为“雷震”的地震信号。

尽管这种现象已被广泛观测到，但这种从大气到固体地球的能量转换很少被用于地下成像，因为雷声进入地下后产生的波动十分复杂，而科学家过去一直没有完全弄清楚，这些声波究竟是怎样转化为地震波的。

在一项新发表于《科学进展》的研究中，一个研究团队发现，雷震可以作为一种天然震源，用于绘制近地表的地下结构，就像X射线能够对人体内部进行成像一样。

把雷声变成震源

为了研究地球近地表的地震活动，科学家通常采用一种名为地震层析成像的方法。它利用地表传感器记录到的波，重建地下结构的图像，进而帮助评估天坑、滑坡等地质灾害，还可以评估地下水运动和矿产资源，以及研究火山和岩浆囊等问题。

然而，传统的地震成像通常依赖昂贵的设备，需要人工到现场进行布设；或者采用被动式观测，利用地震等自然震源产生的信号。这些方法成本可能很高，而且很难在大范围区域内铺开。而且在地震活动较少的地方，可利用的天然震源本身也十分有限。

新研究则提供了一个新的思路：既然雷暴本身就能不断向地下输入能量，能不能直接把雷声变成一种天然的地震成像震源？因此，在新研究中，用于成像的波并非来自地震或主动式地震设备，而是来源于雷声产生的声波。

这一突破之所以能够实现，一个关键在于研究人员使用了埋在地下的现有光纤电缆来“倾听”雷声。借助一种名为分布式声学传感（DAS）的技术，这些普通光纤可以变成由数千个振动传感器组成的密集阵列，从而捕捉雷声从大气进入地下后产生的细微地震信号。

用雷震给地下做“X光”

在这项研究中，研究人员利用了一段长度超过4千米的现有光纤电缆。整段光纤由此相当于变成了2100多个密集排列的振动传感点，彼此只相隔几米，可以同时记录雷声抵达地面后产生的振动。他们分析了约2.5年的数据，并从中识别出458次清晰、高质量的雷震事件。

这一过程记录下来的极其丰富的细节，让研究人员得以观察到一种此前很难看清的现象：当来自大气的声波与地面相互作用时，会产生特定类型的地震波——其中最重要的一类，是被称为空气耦合瑞利波的地震波。这类波虽然可以在地表被测量，但其传播速度会受到地下不同深度结构的影响，因此能够帮助研究人员反推出浅层地下结构。

这项技术的关键，在于一种被称为地震波频散的现象。不同频率的瑞利波会探测地下不同深度的结构，而且传播速度会随着地下介质性质而改变。通过测量雷震波的传播速度如何随频率变化，研究人员就可以反推出不同深度的地震波速度，进而重建光纤下方的地下结构。

最终，他们得到了一幅延伸至地下约100米的结构图像，相当于给地下做了一次“X光检查”。而这一过程不需要钻孔，也不需要额外制造人工震源——研究人员可以直接利用头顶雷暴产生的天然地震能量，以及地下已经铺设好的光纤基础设施，来探测近地表结构。

发现了什么

研究人员进行实验的地点位于宾夕法尼亚州州学院，当地地下主要由石灰岩和白云岩构成。地下水长期流过这些岩石时，会逐渐将它们溶蚀，形成裂隙、洞穴甚至天坑。也因此，这类喀斯特地区的地下往往可能存在破碎、松散或含水的异常区域，而这些区域通常会让地震波传播得更慢。

雷震成像结果显示，研究区域地下存在4个明显的低速“薄弱带”。它们可能对应破碎或风化的岩石，也可能与地下的水或空气有关。其中两个薄弱带与卫星雷达观测到的地表持续沉降区域相吻合；4个薄弱带出现的深度，也与附近钻探和工程调查中发现的裂隙、空洞相一致。

这一结果并不只关系到一个测试地点。类似的喀斯特地貌约覆盖全球大陆面积的20%，影响着近四分之一的人口。天坑、地下水污染等相关风险可能威胁建筑、基础设施和公共安全。如果能够更早识别地下薄弱区，就有望为城市建设、基础设施规划和地质灾害评估提供更多依据。

不只是地球

新的研究结果揭示了一种更基本的物理过程：大气中的声波可以与固体地球耦合，并转化为可用于探测地下结构的地震波。而雷声只是其中一个例子——音爆、火山喷发以及流星空爆同样能够产生强烈的大气冲击波，因此未来也可能成为不同形式的天然地震震源。

这一思路甚至可能延伸到地球之外。在一些行星和卫星上，类似地球构造地震的活动可能并不常见，但大气扰动仍然可能存在。比如土星最大的卫星泰坦（土卫六），如果那里确实像模型预测的那样存在闪电和雷声，那么来自大气的能量或许也能成为探测其地下结构的一种方式。

换句话说，天空中的声音，或许远不只是噪声，它也可能成为窥探地下世界的一种天然信号。

#参考来源：

https://theconversation.com/using-thunderquakes-to-x-ray-earth-a-new-study-shows-urban-seismology-in-action-289961

https://www.psu.edu/news/earth-and-mineral-sciences/story/thunderquakes-new-way-image-earths-subsurface

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg8096